Študija sprejemnega sistema nizkoenergijskega detektorja RFID kartic in njegova uporaba v RFID in NFC aplikacijah

Avtor: Jovanka Dimkovska

Mentor: izr. prof. dr. Matej Rojc univ. dipl. inž. el.
Somentor: izr. prof. dr. Anton Pleteršek
Zunanji somentorji: dr. Kosta Kovačič, dr. Tilen Svete
Stopnja: Študijski program 2. stopnje Elektrotehnika, Smer elektronika
Datum: junij, 2022
DKUM: JOVANKA DIMKOVSKA

Povzetek

Naloga predstavlja opazovanje analogne in digitalne arhitekture sprejemnega sistema čitalnika radiofrekvenčne identifikacije (RFID) v visokofrekvenčni (HF) domeni, in razvoj aplikacije NFC, ki je razvita za uporabnike Android in iOS. Naloga vključuje opis tehnologije RFID in NFC, ter zadostno količino informacij o standardih, ki opredeljujejo te tehnologije. Sprejemni sistem danega izpraševalca smo temeljito proučili, začenši z analognim signalom na anteni izpraševalca in kako se to interpretira v analogni domeni za ugotavljanje prisotnosti objekta v njegovi bližini. Največji poudarek v nalogi je namenjen bralniku, ko je v načinu zaznavanja značk (Tag Detector). To je način delovanja, v katerem lahko izpraševalec zazna spremembe na svoji anteni. Meritve so bile opravljene pri različnih nastavitvah ojačenja sprejemnega sistema. Da bi izboljšali natančnost teh zaznav, je bil način zaznavanja značk preklopljen v način branja, kar je omogočilo prejem potrditvenega sporočila zaznane značke. Obravnavamo tako območje zaznavanja, kot tudi območje branja izpraševalca. Razvita aplikacija NFC deluje kot izpraševalec za operacijska sistema iOS in Android.

RFID standardizacija

RFID se uporablja v primerih, ko se magnetno polje uporablja kot prenosni medij za samodejno pridobivanje podatkov. Industrijska avtomatizacija (pomnilnik), identifikacija živali, elektronske vozovnice in druge aplikacije je le nekaj primerov uporabe dandanes. Vključuje standarde ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693, FeliCa in druge standarde. NFC je tehnologija, zasnovana za visokofrekvenčno komunikacijo na kratkih razdaljah (do približno 10 cm). Večinoma se uporablja v mobilnih telefonih in podobnih napravah, kjer je mogoče spremeniti vlogo naprave (bralnik ali pametna kartica) glede na potrebe uporabnika ali druge naprave. Zajema komunikacijska standarda ISO/IEC 14443 (NFC-A in NFC-B) in FeliCa (NFC-F). Sistem za globalno standardizacijo sestavljata ISO (Mednarodna organizacija za standardizacijo) in IEC (Mednarodna elektrotehniška komisija). Mednarodne standarde razvijajo in izdajajo ISO, IEC ter druge vladne in nevladne mednarodne organizacije.

Analiza sprejemnega sistema izpraševalca

Analizirali smo sistem za sprejem izpraševalca. Predstavljamo analogno in digitalno arhitektura izpraševalca, ter njegovo delovanje v načinu “Low Power Tag Detector”. Sprejemna pot izpraševalca vključuje mešalnika I in Q, analogne ojačevalnike z diferencialnim ojačanjem, analogne pasovne filtre, analogno-digitalni pretvornik (ADC), digitalne pasovne filtre in digitalne korelacijske sisteme (DCS). Digitalna arhitektura sprejemnega sistema izpraševalca se začne po analogni v digitalno pretvorbo. Izhod ADC zahteva dodatno pasovno filtriranje. Digitalni visokoprepustni in nizkoprepustni filtri so dodani, da bi zagotovili pasovno filtriranje in spremenili frekvenco vzorčenja s 27,12 MHz na 13,56 MHz. Harmonike višjega reda, visokofrekvenčni šum, nizkofrekvenčni šum in odmik, ki ga povzročajo analogni ojačevalniki ali sam ADC, se odstranijo s pasovno omejenim frekvenčnim odzivom.

Meritve in digitalne simulacije

Izveden je bil test določanja faznega zamika, ki je dal informacijo o stabilnosti pričakovanega faznega zamika med I pa Q urinima signaloma. Izvedena je bila tudi meritev in analiza z enosmernim signalom (DC Sweep), pri kateri smo opazovali le parametre iz digitalno-analognega pretvornika. Nadaljevali smo s preizkušanjem odzivnosti detektorja kartic. Pri tej meritvi smo uporabili dve predlagani metodi. Dobljeni merilni rezultati so omogočili primerjavo obeh metod. Najpomembnejša parametra, ki smo ju želeli primerjati, sta bila detekcijski razpon, ki označuje, na kateri razdalji izpraševalnik zazna spremembo na svoji anteni, in bralni razpon, ki označuje razdaljo, na kateri izpraševalnik uspešno prejme potrditveno sporočilo od kartice, ki potrjuje njeno prisotnost. Obe metodi sta testirani pod enakimi pogoji, obravnavani pa so vplivi temperature, spremembe okolja (vpliv bližnjih predmetov) in vpliv stopnje ojačanja sprejemnega sistema. Podajamo tudi opis obeh aplikacij, ki smo ju razvili po temeljni raziskavi RFID in NFC naprav, vključno z upoštevanjem standardov, ter analizi sprejemnega sistema izpraševalnika. Pridobljeno znanje in smisel za pristop, ki smo ga razvili na tem tehnološkem področju, so bili izjemno dragoceni. Cilj razvoja obeh aplikacij je pokazati, da lahko posameznik enostavno zgradi tovrstno orodje za osebno uporabo, da analizira različne vrste kartic in vanje tudi vpisuje. Razvite aplikacije delujejo le kot izpraševalnik, kar je bil tudi primarni zastavljeni cilj naloge.